研究

普渡大学的研究人员3D打印细菌抓住胶囊肠镜检查

研究人员来自普渡大学已经开发出一种三维印刷胶囊这是能够在人的胃内部取样细菌。

这种打印出来的药丸被设计成可以进行结肠镜检查的功能,它不仅可以在结肠内,而且可以在整个胃肠道内捕获细菌(称为生物群落)。为了更好地了解肠道疾病,可以将“肠镜”技术与现有的结肠镜检查方法结合使用。

“如果一个结肠镜检查或相机丸看见血,就不能品尝这一领域展开进一步调查,拉希姆拉希米,材料科学与工程助理教授普渡说。“你可以只从一个人的粪便样品细菌,但细菌可以改变很多在整个胃肠道。我们的方法可以是互补的。”

“这一切都是为了能够在肠道的任何地方采集细菌样本。这在以前是不可能的。”

结肠镜检查和3D印刷丸剂

在过去的十年里,研究已经确定了胃的生物失衡(生态失调)与糖尿病、肥胖和代谢综合征等疾病之间的联系。特定细菌种类的存在也会改变某些药物的代谢,如化疗药物和抗病毒药物。因此,微生物组取样对于理解微生物与药物的相互作用是重要的,并且它为开发针对患者的药物传递提供了潜力。

以往的大部分研究都是采用离地取样方法进行的,这些方法依赖于粪便的收集。由于从粪便样本中只有一小部分肠道细菌是可培养的,因此人们已经做出了重大努力,以便能够直接从胃肠道取样微生物。该尿道本身有9米长,其直径因患者而异,因此直接取样有许多挑战。目前的结肠镜和胃镜检查方法仅限于在某些部位取样,而且可能是侵入性的,导致病人不遵守规定。

智能功能的胶囊提供了一种替代方法中,通过从沿GI道指定地理位置服用细菌。药丸摄像头胶囊内窥镜(CE)技术已经商业化,并被广泛用作传统内窥镜的无创替代品。尽管PillCam具有视频诊断能力,但它仍然缺乏收集和储存胶囊内样本的能力。电池驱动的取样胶囊也被开发出来了,但是在测试过程中,由于故障,设备被困在病人体内。

“被动驱动”取样提供了一种更紧凑、更安全、更便宜的选择。在被动设计中,胶囊通过蠕动运动通过胃肠道,平均速度为1 - 2cm min−1。在创建被动胶囊以前的尝试已在形式变化。在2015年的多中心研究中,成功​​创建在压缩网布海绵的形式的被动丸剂,但是这是通过一根细绳检索,从而导致患者的不适。

普渡研究人员的胶囊被设计为提供监测肠道疾病的微创方法。通过普渡大学,Kapwing GIF。
普渡研究人员的胶囊被设计为提供监测肠道疾病的微创方法。通过普渡大学,Kapwing GIF。

普渡大学队的新胶囊设计

在一种新的方法,普渡团队已经创建了一个使用高度吸收性水凝胶以收集生物有机体的膨润性的胶囊。水凝胶是高吸收性,并且可以在水性条件吸收150-300倍其重量,这使得它们非常适合存储细菌。结合水凝胶的吸收入丸使设备是非侵入性的,并进入胃肠道的以前无法到达的区域。

该片剂本身由四个部分组成:生物可降解肠溶性包衣,3D印刷壳体,取样的水凝胶,和一个透气的PDMS膜。利用表2的3D打印机,研究小组制作的药丸生物相容性光固化聚合物。每个胶囊,测量直径,15毫米9毫米长度,包含在水凝胶采样以及1毫米厚的膜。

实际上,药片被吞下后,它的可生物降解的肠衣会延迟它被激活,直到到达目标位置。一旦到达那里,涂层就会溶解,使肠胃液充满设备。当脱水的水凝胶在药丸内膨胀时,PDMS薄膜就会被推到胶囊的孔上,一旦水满,就会起到密封装置的作用。

测试普渡丸的疗效

为了评估其新开发的药丸,球队进行了一系列的渗漏试验和体外细菌采样。为了评估该设备的密封机构,组装胶囊和一个单独的水凝胶中的氯化钠溶液和去离子水分别浸没八小时。红色食用色素也被加入,使两者之间的水凝胶吸收的程度可以很容易识别。

摘要紫外 - 可见光谱测量显示,胶囊里面没有新鲜的媒体在实验的过程中。在密封的胶囊的吸收和纯DI水的水位被证明是可比较的,并保持随时间稳定。其结果是,在测试确认没有流体的交换了的密封的胶囊内,水凝胶,和氯化钠溶液之间发生。

为了验证该设备对细菌的取样能力,研究人员将胶囊浸在培养液中以模拟胃肠道环境。将三个完全组装好的胶囊和一组裸水凝胶样品分别浸泡在三种不同的溶液中,各浸泡1小时。设计的环境对细菌不利,并对3D打印药丸中的生物群落的生存能力提出挑战。

横截面扫描电镜图像后来证实了水凝胶表面存在细菌,大肠杆菌能够附着在凝胶的固体聚合物网络上。进一步的测试包括使用漂白剂和抗生素妥布霉素,以模拟最严酷的环境。在所有条件下,与从密封胶囊中提取的相比,裸水凝胶的活菌数量要少。

尽管在漂白剂评估下保留的活菌样本较少,但仍有相当数量存活下来,进一步证明水凝胶提供了一个培育栖息地。普渡大学的研究小组相信,这种药丸的低成本和简单设计可以使其在未来的临床应用中得到广泛的应用。与此同时,研究人员将专注于定位特定的样本位置,并使用动物模型进行体内测试。

之前的3D打印胶囊

3D打印药丸是科学家的重要工具,因为它们提供了一种非侵入性的检查和影响人体内部的方法。

塔夫茨大学,也3D打印胶囊目的是对肠道中的细菌进行采样。这种药丸被证明能够在空间上瞄准动物肠道中的微生物群。

科学家从伦敦大学学院(UCL)发现了而3D打印丸意想不到的化学反应。实验表明,心脏降压药氨氯地平与其他药物合成时是检测不到的。

从A队圣约翰大学,纽约,生产3D印刷片这可以阻止阿片类药物滥用者滥用药物。这种蛋形的药片被称为“蛋卷”,是为了故意让它们难以娱乐。

研究人员的研究结果在他们的论文《智能胶囊用于胃肠道微生物的无创采样和研究,发表在RSC高级期刊上。该报告由何塞·费尔南多·怀敏、新浪·内贾提、蒋洪杰、邱杰克、王江山、莫希特·S·维尔马和拉希姆·拉希米共同撰写。

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精选图像示出了普渡大学的研究3D的GIF印刷胶囊。通过普渡大学,Kapwing GIF。